Plasmaphysik . Quantenphysik . Teilchenphysik

Forschungsbericht 2012 - Max-Planck-Institut für Kernphysik

Laserbeschleunigung von Ionen

Autoren

Harman, Zoltán; Galow, Benjamin J.; Keitel, Christoph H.

Abteilungen

Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik (Keitel)

Zusammenfassung
Theoretische Studien zeigen, dass mittels hochintensiver Laserpulse Ionen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden können. Die erreichbaren Energien, die Energieschärfe und Qualität wie auch die Intensität der so erzeugten Ionenstrahlen wären für verschiedene Anwendungen nutzbar – so z. B. für die Ionen-Krebstherapie. Modellrechnungen ergaben ferner, dass die geforderten Strahleigenschaften mit Frequenzmodulation des Laserpulses erreichbar sind. Diese Technik der Laserbeschleunigung könnte zukünftig eine kostengünstigere Alternative zu konventionellen Beschleunigersystemen darstellen.

Ionenstrahlen für die Medizin

Schnelle Ionenstrahlen werden inzwischen an mehreren klinischen Einrichtungen weltweit für die Tumortherapie erfolgreich eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist das neue Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT). Die besondere Eigenschaft schwerer geladener Teilchen, eine durch ihre Geschwindigkeit festgelegte Reichweite im Gewebe, ermöglicht eine präzise Bestrahlung der Tumoren. Dies schont das umgebende gesunde Gewebe und ermöglicht die Eliminierung kompliziert geformter Tumoren, die mit herkömmlicher Chirurgie inoperabel sind. Anlagen zur Ionentherapie bestehen aus einem konventionellem Teilchenbeschleuniger, welcher die Ionen, z. B. Protonen oder Kohlenstoffkerne, auf kinetische Energien von mehreren 100 Megaelektronenvolt bringt. Außerdem wird ein aufwendiges Strahlablenkungssystem benötigt, welches im sogenannten Rasterscanverfahren eine optimale Patientenbestrahlung aus allen Raumrichtungen ermöglicht. Zur Ablenkung der Teilchen werden starke Elektromagneten benötigt, weshalb ein typischer Aufbau mehrere 100 Tonnen wiegt und zugleich den Teilchenstrahl mit höchster Genauigkeit justieren muss (Abb. 1 a).

<strong>Abb. 1:</strong> (a) Konventioneller Bestrahlungsplatz an einem  Beschleuniger mit magnetischer Strahlführung. (b) Alternative Methode  der Laser-Beschleunigung von Ionen in einem hochintensiven Laserstrahl. Bild vergrößern
Abb. 1: (a) Konventioneller Bestrahlungsplatz an einem Beschleuniger mit magnetischer Strahlführung. (b) Alternative Methode der Laser-Beschleunigung von Ionen in einem hochintensiven Laserstrahl. [weniger]

Dies stellt einen nicht unerheblichen technischen und finanziellen Aufwand dar. Daher gibt es Überlegungen, für die Zukunft kostengünstigere und kompaktere Beschleunigungs- und Strahlführungssysteme zu entwickeln. Ein vielversprechender Ansatz ist in der letzten Dekade vor allem die Beschleunigung geladener Teilchen in starken Laserfeldern, zumal die Technologie der Hochleistungslaser eine rasante Entwicklung zu verzeichnen hat. Schon heute stehen kompakte Laser mit Leistungen von hunderten von Terawatt zur Verfügung (1 Terawatt = 1012 Watt), und mehrere größere Anlagen weltweit erreichen den Petawattbereich (1 Petawatt = 1015 Watt). Die Beschleunigung der Ionen könnte dann in unmittelbarer Nähe des Behandlungsplatzes mit Bestrahlung aus beliebiger Richtung erfolgen; die aufwendige magnetische Strahlführung würde durch ein wesentlich einfacheres optisches System für den Lichtstrahl ersetzt (Abb. 1 b). Table-top Teilchenbeschleuniger wären auch für die atom-, kern- und teilchenphysikalische Grundlagenforschung, Materialforschung, Festkörperphysik, sowie für industrielle Anwendungen wie beispielsweise die Lithographie von großer Bedeutung.

Beschleunigung von Ionen in frequenzmodulierten Laserfeldern

In Modellrechnungen wurde untersucht, auf welchem Wege mittels starker Laserfelder Ionenstrahlen erzeugt werden können, die die strengen Kriterien radio-onkologischer Anwendungen erfüllen. Kernpunkte sind dabei eine ausreichend große Beschleunigung für verfügbare Laserintensitäten sowie eine hohe Schärfe der kinetischen Energien der Ionen (besser als 1 %). Bisherige Methoden, in denen Ionen in lasergenerierten dichten Plasmen beschleunigt werden, erreichen zwar schon recht hohe Energien, sind aber mit breiten Energieverteilungen behaftet.

Stattdessen wurde nun die direkte Beschleunigung von Ionen theoretisch modelliert. In dieser Beschleunigungskonfiguration ionisiert der Laser zunächst ein Target, dessen räumliche Ausdehnung vergleichbar mit der Laserwellenlänge ist, und die so gewonnenen Ionen werden beschleunigt. Es konnte nun theoretisch gezeigt werden, dass durch Beschuss eines solchen Wasserstoff-Gastargets mit speziellen hochintensiven Laserpulsen Protonenstrahlen mit bisher unerreichter Energie und Qualität erzeugt werden können.

<strong>Abb. 2:</strong> Schematische Darstellung der direkten Beschleunigung von Protonen durch einen intensiven frequenzmodulierten Laserpuls. Bild vergrößern
Abb. 2: Schematische Darstellung der direkten Beschleunigung von Protonen durch einen intensiven frequenzmodulierten Laserpuls. [weniger]

Hierbei wird das Gas zunächst zu Beginn des Laserpulses bei ansteigender Stärke des Laserfeldes schnell ionisiert und die Elektronen von den schwereren Protonen weg beschleunigt. Bei genügend hoher Intensität werden schließlich auch die Protonen direkt durch das Feld beschleunigt (Abb. 2). Damit dies möglichst effizient geschieht, wurden sogenannte frequenzmodulierte Laserpulse betrachtet, deren Schwingungsfrequenz sich während der Dauer des Pulses ändert. Ein gewöhnlicher Laserpuls mit fester Frequenz erzeugt keine merkbare direkte Beschleunigung der schweren Ionen, da sich die Wirkung des hin und her oszillierenden Feldes letztlich ausmittelt. Diese Symmetrie wird bei einem frequenzmodulierten Laserpuls gebrochen, bei dem in der mittleren Hälfte des Pulses das Feld langsam und mit einem Übergewicht in eine Richtung oszilliert (Abb. 2).

Anhand mathematischer Modellrechnungen, die durch Computersimulationen unter realistischen Plasmabedingungen unterstützt wurden, wurde demonstriert, dass mit verfügbaren Laserintensitäten (ca. 1021 Watt pro Quadratzentimeter) Protonen von 250 Megaelektronenvolt Energie mit ca. 1 % Energiebreite in dichten Bündeln von 10 Millionen Teilchen erzeugt werden können [1]. Hierfür müssten die Strahlen nach der Beschleunigung allerdings noch ionenoptisch bearbeitet werden, um Schwankungen der Laserpulse zu kompensieren, was noch eine technische Herausforderung darstellt. Zukünftige, noch intensivere Lasersysteme wie HiPER oder ELI könnten darüber hinaus die Möglichkeit eröffnen, energiescharfe Protonenstrahlen von mehreren Gigaelektronenvolt Energie zu erzeugen. Dies wird die Anwendungsmöglichkeiten von laserbeschleunigten Ionen erweitern.

Direkte Laser-Nachbeschleunigung

<strong>Abb. 3:</strong> Nachbeschleunigung von lasergenerierten Ionen durch zwei gekreuzte Laserstrahlen. Bild vergrößern
Abb. 3: Nachbeschleunigung von lasergenerierten Ionen durch zwei gekreuzte Laserstrahlen.

Laserstrahlen mit geeigneter Pulsform können experimentell immer besser kontrolliert werden. Trotzdem könnte die Erzeugung von geeigneten frequenzmodulierten Pulsen eine technische Herausforderung darstellen. Alternativ wurde noch ein Mechanismus untersucht, bei dem Teilchenstrahlen, die aus Laser-Plasma-Wechselwirkungsprozessen stammen, durch die Anwendung eines zweiten Lasersystems effizient nachbeschleunigt werden [2]. Dabei wurden unterschiedliche Strahlenkonfigurationen, nämlich ein einzelner oder zwei gekreuzte Strahlen betrachtet (Abb. 3), und es wurde gezeigt, dass dabei ebenfalls Ionenstrahlen mit hoher Geschwindigkeit und Teilchenanzahl erzeugt werden können. Die Konfiguration, bei der zwei – oder sogar mehrere – gekreuzte Strahlen verwendet werden, nutzt das auch von Wasserwellen bekannte Phänomen der konstruktiven Interferenz aus. Im Hintergrund steht die Idee, dass die überlappenden Lichtwellen sich gegenseitig verstärken. Dies führt zu einer effizienteren Nachbeschleunigung der Ionen als bei der Konfiguration mit einem einzigen Strahl der gleichen Gesamtleistung, erfordert aber, dass die beiden Laserstrahlen sich mit genau eingestellter Relativphase treffen.

Betrachtet wurde außerdem Beschleunigung durch radialpolarisiertes Laserlicht, das auf einen winzigen Brennpunkt gebündelt wird, der in einigen Fällen kleiner als die Wellenlänge des Lasers sein muss. Es wurde gezeigt, dass das radialpolarisierte Laserfeld (Axicon-Laser) ebenfalls gute Beschleunigungseigenschaften besitzt [3, 4]. Solches Licht wurde zwar noch nicht in dem erwünschten Leistungsbereich von 0,1 bis 10 Petawatt erzeugt, fundamentale Hindernisse stehen dem aber nicht entgegen. Für Kohlenstoffkerne ergab sich bei 10 Petawatt Laserleistung eine kinetische Energie von etwa 1500 MeV bei einer Energieunschärfe von 0,8 %. Ionen, die von linear polarisierten Lasern direkt beschleunigt werden, besitzen nahezu dieselben charakteristischen Strahleigenschaften. Derartige Lasersysteme für die erforderlichen hohen Intensitäten sind bereits vorhanden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass mit langwelligerem Laserlicht mehr Teilchen bei niedrigerer Intensität beschleunigt werden können.

1.
Galow, B. J.; Salamin, Y. I.; Liseykina, T. V.; Harman, Z.; Keitel, C. H.
Dense monoenergetic proton beams from chirped laser-plasma interaction
2.
Galow, B. J.; Harman, Z.; Keitel, C. H.
Intense high-quality medical proton beams via laser fields
3.
Harman, Z.; Salamin, Y. I.; Galow, B. J.; Keitel, C. H.
Optimizing direct intense-field laser acceleration of ions
4.
Salamin, Y. I.; Harman, Z.; Keitel, C. H.
Direct high-power laser acceleration of ions for medical applications
 
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